Paramétrisation et initialisation du modèle H2SC

Les deux piézomètres A et B, localisés sur la figure 3.20, ont été sélectionnés pour la modélisation par colonne avec le modèle H2SC. Le piézomètre A est situé dans une forêt d’épicéas, tandis que le piézomètre B est installé dans une clairière. L’intérêt de se baser sur des piézomètres est qu’il est ainsi possible de comparer l’évolution temporelle du niveau de nappe simulé par le modèle de colonne avec les données piézométriques. Pour cela, le modèle de colonne doit être appliqué comme s’il était positionné au point de localisation des deux piézomètres, ce qui signifie deux colonnes distinctes à modéliser. Les paramètres du modèle doivent alors se rapprocher au mieux des caractéristiques du terrain en ces deux points : caractéristiques de sol, de végétation et topographiques.

2.2.1 Choix des paramètres du modèle

Propriétés de sol

Les propriétés de sol et de végétation nécessaires au modèle ont été extraits de [Biron, 1994]. Les para-mètres de sol proviennent de mesures réalisées sur des échantillons de sol extraits sous une forêt d’épicéas, à l’image de celle où est situé le piézomètre A. Les propriétés de sol ont été mesurées à différentes profondeurs, de la surface du sol à 1 m de profondeur. Cela permet de caractériser précisément la variation verticale des différents paramètres de sol. Les valeurs utilisées sont listées dans le tableau 3.4. Les mêmes valeurs ont été utilisées pour le piézomètre B, car aucune étude similaire n’a été menée pour les sols des clairières.

La variation verticale des propriétés de sol a été implémentée dans le modèle H2SC pour la conductivité hydraulique K_s, la teneur en eau à saturation θ_s et pour le paramètre β des relations de Van Genuchten. Au-delà de 1 m de profondeur, les valeurs de la dernière couche (50 cm - 100 cm) ont été utilisées. La teneur en eau résiduelle θr a été prise égale à 0,01 car le code de calcul Cast3m n’accepte pas une valeur nulle. La variabilité verticale du paramètre n des relations de Van Genuchten n’a pas pu être implémentée dans

Chapitre 2 : Application au bassin versant du Strengbach Profondeur (cm) Ks(m/s) θs ^θr ^{n β} (m-1) 0-5 1, 2 × 10−5 0,696 0,01 1,1962 12,3 5-10 3, 7 × 10−5 0,561 0,01 1,1962 13,0 10-20 3, 6 × 10−5 0,550 0,01 1,1962 18,9 20-50 2, 9 × 10−5 0,564 0,01 1,1962 15,5 50-100 2, 3 × 10−5 0,444 0,01 1,1962 8,9

Tab. 3.4 – Paramètres de sols à différentes profondeurs utilisés pour l’application du modèle H2SC aux piézomètres A et B (valeurs extraites de [Biron, 1994]).

Cast3m. Sa valeur moyenne a été prescrite pour l’ensemble de la colonne. Toutefois, la variation verticale de ce paramètre est faible (de 1,18 à 1,24), donc imposer une valeur moyenne à la place de la variabilité mesurée a un impact minime.

Végétation

Le profil racinaire pour les épicéas à été déduit d’observations de terrain. Trois couches de différentes profondeurs sont distinguées et pour chacune d’entre elles une valeur de densité racinaire a été prescrite. Les valeurs sont indiquées dans le tableau 3.5.

Profondeur (cm) Densité racinaire

0-10 30 %

10-70 60 %

70-100 10 %

Tab. 3.5 – Densité racinaire en fonction de la profondeur pour l’espèce des épicéas.

Pour la clairière (piézomètre B), le profil racinaire utilisé suit une loi exponentielle dont le coefficient exponentiel est pris égal à 4 et la profondeur maximale est de 2 m. Ce choix correspond aux valeurs des paramètres du PFT 10 d’Orchidée, qui représente un couvert de type prairie (cf. tableau 2.3, page 77).

Les teneurs en eau limites permettant de définir la fonction de disponibilité de l’eau dans le sol pour la transpiration (éq. (2.19)) sont définies selon les formules suivantes : θw= 1, 1 × θr et θd= 0, 5 × θmoy

s , avec

θs^moy la valeur moyenne de θs. Ces valeurs sont inspirées de celles utilisées par le modèle Orchidée. Pour la fonction de disponibilité permettant le calcul de l’évaporation (éq. (2.24)), les valeurs limites sont choisies selon les relations suivantes : θ1 = θr+ 0, 1 × (θmoy

s ^{− θ}r) et θ2 = θr+ 0, 5 × (θmoy

s ^{− θ}r). La profondeur maximale de l’extraction d’eau pour l’évaporation est imposée égale à 0,2 m. Ces valeurs sont choisies de manière similaire à celles utilisées par le modèle HydroGéoSphère [Therrien et Sudicky, 1996].

L’existence d’une importante macroporosité à proximité de la surface du sol a été observée [Biron, 1994]. Pour prendre en compte la rapidité des flux d’eau à travers ces réseaux de macropores, la conductivité hydraulique a été imposée égale à 10−3m/s sur les 60 premiers centimètres de sol, à l’image de ce qui a été fait dans différentes études de la littérature [Shi et al., 2013; Milly et al., 2014].

Troisième partie : Validation et application du modèle H2SC

Paramètres géométriques

Les paramètres géométriques nécessaires pour le modèle H2SC sont les suivants : la distance L entre la colonne simulée et la rivière le long du versant de plus grande pente, la hauteur h_r de l’aquifère sous la rivière, la longueur du versant de plus grande pente L_t, la pente du fond de l’aquifère α et la pente de la surface γ (cf. figure 2.6, page 51).

Les gammes de valeurs pour ces différents paramètres ont été déduites de la localisation des piézomètres sur le bassin versant et de la connaissance du bassin versant. Pour la modélisation H2SC, chacune des deux colonnes doit être associée virtuellement à un versant (cf. section 2.1 de la partie 2, page 49). Ces versants sont définis en suivant la ligne de plus grande pente de la surface du sol reliant le sommet du bassin versant à la rivière, en intersectant la localisation de la colonne simulée. Ces versants sont donc déduits de données topographiques.

La distance entre le piézomètre A et la rivière en suivant la ligne de plus grande pente est d’environ 20 m, tandis que pour le piézomètre B, elle est d’environ 70 m. La longueur totale des versants est respectivement égale à environ 200 m et 600 m pour les piézomètres A et B. La pente de la surface est d’environ 26 % dans les deux cas. La hauteur de l’aquifère sous la rivière a été estimée entre 2 m et 3 m, avec une légère augmentation le long du versant en s’éloignant de la rivière, présageant d’une pente de l’aquifère inférieure à celle de la surface. Aucune donnée ne permet d’estimer plus précisément la pente de l’aquifère.

2.2.2 Forçage climatique

Le forçage climatique imposé à la simulation Orchidée (première simulation du chaînage Orchidée-Cast3m, cf. section 3.3 de la partie 2, page 77) provient de deux sources de données. La pluviométrie, la température de l’air et les données de vent sont issues des mesures des stations météorologiques installées sur le Strengbach. Pour combler l’absence de certains paramètres, comme l’humidité spécifique, le rayonnement incident solaire et le rayonnement incident infrarouge, les résultats du modèle d’analyse météorologique SAFRAN1 ont été utilisés [Durand et al., 1993; Quintana-Seguí et al., 2008; Vidal et al., 2010a]. SAFRAN est un modèle d’analyse atmosphérique qui combine des observations de stations météorologiques et des résultats d’un modèle météorologique. Il fournit différents paramètres météorologiques au pas de temps horaire et à une résolution spatiale de 8 km. SAFRAN couvre le territoire français depuis 1986. Il a fait l’objet de différents tests de validation et a été utilisé avec succès dans plusieurs études [Habets et al., 2008; Quintana Seguí

et al., 2009; Vidal et al., 2010a,b]. Les données du Strengbach et les résultats de SAFRAN ont ainsi été

associés pour créer le fichier de forçage climatique nécessaire à la simulation Orchidée.

Les données ensuite nécessaires pour réaliser les simulations Cast3m sont extraites des résultats de la simulation Orchidée (cf. figure 2.16, page 78).

2.2.3 Période de simulation

Les périodes de simulation s’appuient sur deux périodes au cours desquelles les piézomètres A et B ont fait l’objet d’un suivi au pas de temps horaire :

— Période 1 : du 11 avril au 23 juillet 1996, soit une période de 3 mois et 12 jours ; — Période 2 : du 13 avril au 13 octobre 1997, soit une période de 7 mois.

La seconde période de mesure s’est, en réalité, poursuivie jusqu’au 12 novembre 1997. Toutefois, au-delà du 13 octobre, des précipitations sous forme neigeuses ont débutées. Le modèle Cast3m n’est cependant pas en mesure de simuler l’accumulation de neige puis sa fonte. C’est la raison pour laquelle la seconde période de temps a été tronquée au 13 octobre 1997.

Chapitre 2 : Application au bassin versant du Strengbach

2.2.4 Initialisation

Le modèle H2SC est initialisé par une charge constante sur toute la hauteur de la colonne. La valeur de charge imposée est choisie de sorte que la profondeur de nappe à t = 0 corresponde à la valeur observée au début de la période simulée.

En ce qui concerne le modèle de nappe, deux paramètres doivent être initialisés : — la pente du toit de la nappe i(t = 0) ;

— la longueur de la zone de suintement xs(t = 0).

À une distance L donnée, différentes combinaisons de ces deux paramètres peuvent conduire à la même profondeur de nappe. Il n’est donc pas possible de les différencier à partir de la connaissance unique de la profondeur de la nappe. L’initialisation du modèle de nappe possède donc un degré de liberté et seule une comparaison des résultats a posteriori permet d’identifier le couple (i(t = 0), xs(t = 0)) le plus adéquat.